基于多种线性时频变换的交流电弧故障检测方法及系统技术方案

基于多种线性时频变换的交流电弧故障检测方法及系统，对采集到的交流系统回路电流信号进行改进S变换和一维快速短时哈特莱变换分析，依据正常状态特征值一致、正常与电弧故障状态特征值存在差异选取与电弧故障相关的特征量，依据特征变化趋势筛除冗余的电弧故障特征量，将所得的时频特征量组输入至已经具备二元聚类中心的K均值聚类模型，便可判断当前系统所处的状态，在触发电弧故障切断标准时发出切断相应故障支路的动作信号并报警。本发明专利技术通过多线性时频变换提取交流电弧故障的时频信息，确保不同非线性负载条件下的交流系统电弧故障均能得到有效切除，提升了交流系统安全稳定运行的能力。

【技术实现步骤摘要】
基于多种线性时频变换的交流电弧故障检测方法及系统
本专利技术属于交流电气故障检测领域，具体涉及一种基于多种线性时频变换的交流电弧故障检测方法及系统。
技术介绍
交流系统的线缆或者设备一旦出现绝缘老化、绝缘破损或者连接头松动等现象，均会引起电弧故障的发生，因而电弧故障频发于交流系统的输电、配电和用电环节，是一种十分常见的故障现象。如果对电弧故障不进行及时有效的切除，其高温高热特性会引发电气火灾事故，进而对系统运行和人身安全造成威胁。目前，已有相应的法规、标准测试方法对相关工业产品—交流电弧故障断路器(ACAFCI)动作性能进行了相关规定。1999年制定的UL1699标准对交流电弧故障断路器性能作出了明确规定，我国也于2015年开始实施相关标准GB/T31143-2014《电弧故障保护电器(AFDD)的一般要求》，提出关于AFDD动作性能设计的一般要求，将其作为电气火灾监控系统的重要组成部分。由此可见，交流电弧故障的防治已经得到世界各国的广泛、深入研究。串联电弧故障引发的火灾事故往往较短路更具隐蔽性，所造成的后果更为严重。线性交流用电负载条件下，串联电弧故障通常会造成显著的平肩现象，由此区分交流系统的正常运行和电弧故障状态。但非线性负载的正常运行会形成与电弧故障平肩特征类似的情况，如钨丝灯调光过程的启动和负载突加过程等，这些系统暂态干扰过程极大程度地给交流电弧故障的准确识别带来挑战。同时，不同非线性负载正常运行时的工作特性曲线存在差异，电弧故障发生后的电气特性也会受到不同非线性负载运行的影响，呈现表征形式不一的电弧故障特性，这些多样的电弧故障增大了检测算法的准确识别难度。因此，研究有效、准确、快速的交流系统电弧故障检测算法对维持交流供电系统稳定运行有着极其重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术中电弧故障多样造成不能准确识别的问题，提供一种基于多种线性时频变换的交流电弧故障检测方法及系统，实现对交流电弧故障有效、快速的检测，使不同非线性负载条件下的交流系统电弧故障均能够得到有效切除。为了实现上述目的，本专利技术有如下的技术方案：一种基于多种线性时频变换的交流电弧故障检测方法，包括以下步骤：S1、交流系统运行中，采集回路电流信号In进行改进S变换分析，得到二维时频复数矩阵分布，对该矩阵各元素取模得到二维时频矩阵分布TF1；对相同的电流信号In进行一维快速短时哈特莱变换分析，得到二维时频能量谱密度矩阵分布TF2；S2、在得到的二维时频矩阵分布TF1与二维时频能量谱密度矩阵分布TF2中依据正常状态特征值一致、正常与电弧故障状态特征值存在差异选取与电弧故障相关的特征量，依据特征变化趋势筛除冗余的电弧故障特征量，得到m个时频特征量；S3、将所得的时频特征量输入至已经具备二元聚类中心的K均值聚类模型，通过K均值聚类模型计算特征量与相应聚类中心的欧式距离来判断当前系统状态：若交流系统处于正常状态则输出0，返回步骤S1进行后续交流系统回路电流信号分析；若交流系统处于电弧故障状态则输出1，判断为可能发生电弧故障，转至步骤S4；S4、判断截止目前的K均值聚类模型输出故障指示值的个数是否满足切断标准，如果达到切断标准，则判定交流系统内发生电弧故障，发出切断相应故障支路的动作信号并报警；否则，判定是交流系统暂态干扰，返回步骤S1进行后续交流系统回路电流信号分析。优选的，所述回路电流信号采用电流互感器进行高频采样，而后利用均值滤波方法降频，所得信号的采样频率不低于20kHz。优选的，改进S变换的窗长兼顾电弧故障频率信息分辨率和计算时间要求，取值范围为200～2000，兼顾电弧故障时间信息分辨率和动作时间要求，取值范围为200～2000；一维快速短时哈特莱变换的窗长和变换点数相等，取值范围为200～2000，该参数需与改进S变换，以确保多特征量计算的同步性，即输入至K均值聚类模型的多特征的输入电流信号是相同的。优选的，所述两种线性时频变换的窗函数基于最大程度地滤除干扰电弧故障信息的其它信息而定，改进S变换的窗高系数取值范围为0.5～2；一维快速短时哈特莱变换的时间窗优选为汉宁窗。优选的，所述步骤S2依据各阶段特征值在20周期内除去最大值、最小值后的均值判断特征值是否存在差异，若均值的相对差异超过10％则认为存在差异；否则认为特征值一致。优选的，所述步骤S2电弧故障相关的特征量确定后，求取特征量的外包络线，对外包络线变化趋势相同的特征量只选取1个。优选的，所述时频特征量个数m依据检测可靠性和快速性折衷处理，取值范围为2～5。优选的，所述的K均值聚类模型已经完成了机器学习训练过程，机器学习样本数量确定的原则为经过最短迭代次数所形成的聚类中心不再扩张，总样本容量的取值范围为50000～100000，两类数据分布数量差异不超过10％；用于模型训练的样本占比为60％～80％；测试样本的分类正确性高于80％则认为K均值聚类模型已具备二元聚类中心。优选的，所述步骤S4电弧故障判断标准为连续n个时间窗内K均值聚类模型输出半数以上的1，n的取值范围为10～25。本专利技术同时提供一种基于多种线性时频变换的交流电弧故障检测系统，包括：回路电流信号采集分析模块，用于交流系统运行中，采集回路电流信号In进行改进S变换分析，得到二维时频复数矩阵分布，对该矩阵各元素取模得到二维时频矩阵分布TF1；对相同的电流信号In进行一维快速短时哈特莱变换分析，得到二维时频能量谱密度矩阵分布TF2；时频特征量获取模块，用于在得到的二维时频矩阵分布TF1与二维时频能量谱密度矩阵分布TF2中依据正常状态特征值一致、正常与电弧故障状态特征值存在差异选取与电弧故障相关的特征量，依据特征变化趋势筛除冗余的电弧故障特征量，得到m个时频特征量；K均值聚类模型计算模块，用于将所得的时频特征量输入至已经具备二元聚类中心的K均值聚类模型，通过K均值聚类模型计算特征量与相应聚类中心的欧式距离来判断当前系统状态：若交流系统处于正常状态则输出0，若交流系统处于电弧故障状态则输出1；故障判断与处理模块，判断截止目前的K均值聚类模型输出故障指示值的个数是否满足切断标准，如果达到切断标准，则判定交流系统内发生电弧故障，发出切断相应故障支路的动作信号并报警；否则，判定是交流系统暂态干扰，进行后续交流系统回路电流信号分析。相较于现有技术，本专利技术具有如下的有益效果：使用改进S变换和一维快速短时哈特莱变换得到电流信号的二维时频分布，依据各状态下特征值异同要求选择确定多个时频特征量，使用已经具备二元聚类中心的K均值聚类模型进行状态判断，由此检测交流电弧故障并采取相应的动作报警手段，大幅避免了交流电气火灾的发生。本专利技术通过综合考虑连续多周期的分类模型输出判断结果，系统暂态所输出的判断个数不足以达到触发标准，可被有效避免误判为电弧故障，有利于整个系统状态的准确识别。本专利技术电弧故障检测算法以多线性时频变换角度构建了多重时频特征量，提高了交流电弧故障和系统暂态工况辨识的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多种线性时频变换的交流电弧故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、交流系统运行中，采集回路电流信号I

【技术特征摘要】
1.一种基于多种线性时频变换的交流电弧故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、交流系统运行中，采集回路电流信号In进行改进S变换分析，得到二维时频复数矩阵分布，对该矩阵各元素取模得到二维时频矩阵分布TF1；对相同的电流信号In进行一维快速短时哈特莱变换分析，得到二维时频能量谱密度矩阵分布TF2；
S2、在得到的二维时频矩阵分布TF1与二维时频能量谱密度矩阵分布TF2中依据正常状态特征值一致、正常与电弧故障状态特征值存在差异选取与电弧故障相关的特征量，依据特征变化趋势筛除冗余的电弧故障特征量，得到m个时频特征量；
S3、将所得的时频特征量输入至已经具备二元聚类中心的K均值聚类模型，通过K均值聚类模型计算特征量与相应聚类中心的欧式距离来判断当前系统状态：
若交流系统处于正常状态则输出0，返回步骤S1进行后续交流系统回路电流信号分析；若交流系统处于电弧故障状态则输出1，判断为可能发生电弧故障，转至步骤S4；
S4、判断截止目前的K均值聚类模型输出故障指示值的个数是否满足切断标准，如果达到切断标准，则判定交流系统内发生电弧故障，发出切断相应故障支路的动作信号并报警；否则，判定是交流系统暂态干扰，返回步骤S1进行后续交流系统回路电流信号分析。


2.根据权利要求1所述基于多种线性时频变换的交流电弧故障检测方法，其特征在于：所述的回路电流信号采样频率不低于20kHz，然后利用均值滤波方法降频。


3.根据权利要求1所述基于多种线性时频变换的交流电弧故障检测方法，其特征在于：所述改进S变换的窗长取值范围为200～2000；所述一维快速短时哈特莱变换的窗长和变换点数相等，取值范围为200～2000，该参数与改进S变换的帧长保持一致。


4.根据权利要求1所述基于多种线性时频变换的交流电弧故障检测方法，其特征在于：所述改进S变换的窗高系数取值范围为0.5～2；一维快速短时哈特莱变换的时间窗为汉宁窗。


5.根据权利要求1所述基于多种线性时频变换的交流电弧故障检测方法，其特征在于：所述步骤S2依据各阶段特征值在20周期内除去最大值、最小值后的均值判断特征值是否存在差异，若均值的相对差异超过10％则认为存在差异；否则认为特征值一致。


6.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵虎，
申请(专利权)人：浙江零壹智能电器研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33